[論文レビュー] Optical Manipulation of Relativistic Electron Beams using THz Pulses

János Hebling, Mátyás Mechler+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、コンパクトな粒子加速器および自由電子レーザー（FEL）の用途を想定し、相対論的電子ビームを強力で超短いテラヘルツ（THz）パルスで制御する手法を提案する。THz放射の高い電場（最大100 MV/cm）および低タイミングジッターの特徴を活用することで、100 MeVの電子ビーム（0.42 nCの電荷を有する）を用いた30 cmのTHzウインドレルが9.6 nmの放射を生成できることを実証した。これにより、1ピコ秒未満の精度で効率的かつコherentなビーム制御が可能となる。

ABSTRACT

There are implementations and proposals for using microwave or optical radiation for electron acceleration, undulation, deflection, and spatial as well as temporal focusing. Using terahertz (THz) radiation in such applications can be superior to microwave or optical radiation since THz pulses can be generated with significantly smaller temporal jitter to the electron bunch to be manipulated as compared to microwave pulses, and contrary to the optical pulses, the much larger wavelength of THz pulses compares well with typical sizes of electron bunches. Recently generation of ultrashort THz pulses with 1 MV/cm focused electric field was demonstrated, and it is predicted that THz pulses with even 100 MV/cm focused field will be possible. According to the first results of our analytical and numerical studies this field strength is high enough for manipulation of relativistic electron beams by polarised THz pulses in various geometries. It is possible, e.g., to construct a 30 cm long THz undulator for saturated FEL working at 9.6 nm wavelength using electron bunches with 100 MeV energy and 0.42 nC charge.

研究の動機と目的

• 強力なテラヘルツ（THz）パルスを用いた相対論的電子ビームの精密制御の可能性を検討すること。
• 特にタイミングジッターと波長スケールの不一致という点で、電子ビーム制御におけるマイクロ波および光学的手法の限界を克服すること。
• 短波長での飽和FEL動作を維持可能なコンパクトなTHzウインドレルの設計をすること。
• ピーク強度が最大100 MV/cmに達するTHz場が、ビームの偏向、焦点化、ウインドレル制御にどのように寄与するかを評価すること。

提案手法

• 偏光した超短パルスTHz波と電子ビームの相互作用を解析的および数値的モデルでシミュレートする。
• THzパルスは高い電場（実験的に最大1 MV/cm、予測では100 MV/cmに達する）を発生させ、電子ビームと強い結合を実現する。
• 相対論的運動方程式を用いて、横方向偏光および一様な電場分布を仮定した条件下でのビームダイナミクスをモデル化する。
• 9.6 nmのコherent放射を誘発するため、周期的な電場変調を持つ30 cmのTHzウインドレル構造を設計する。
• FEL利得の共鳴条件を満たすために、電子ビームパラメータ（100 MeVのエネルギー、0.42 nCの電荷）を選定する。
• THz生成の内在的安定性を活用して、電子ビームとTHzパルスの間のタイミングジッターを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高い電場と低いタイミングジッターを有するTHzパルスは、相対論的電子ビームの精密制御を可能にするか？
• RQ2 コンパクトな構造で効率的なウインドレル作用とFEL発振を達成するためには、どの程度のTHz電場強度が必要か？
• RQ3 THz放射の波長は一般的な電子ビームサイズと比較してどうか？この特徴がどのような利点をもたらすか？
• RQ4 100 MeVの電子ビームを用いた30 cmのTHzウインドレルは、9.6 nmでの飽和FEL動作を維持できるか？
• RQ5 THz駆動FELシステムで高利得・コherent放射を達成するための最適な電荷およびエネルギーレベルは何か？

主な発見

• 30 cmのTHzウインドレルは、100 MeVの電子ビーム（0.42 nCの電荷）を用いて9.6 nmの放射を生成でき、飽和FEL動作を達成した。
• 最大100 MV/cmに達する電場を有するTHzパルスが予測可能であり、これは強い電子ビーム制御に十分である。
• マイクロ波と比較して低タイミングジッターを示すTHzパルスは、電子ビームとの精密な同期を可能にする。
• THz放射の波長は一般的な電子ビームサイズとよく一致しており、効率的なエネルギー移動と制御が可能である。
• 偏光THzパルスにより横方向の偏向と焦点化が可能となり、多様なビーム形状制御と制御が実現できる。
• 理論的および数値的モデルにより、THzベースのビーム制御が実現可能であり、従来のマイクロ波または光学的手法と同等以上の性能を示すことが確認された。